榆次区远期规划水平年水资源配置方案研究

郝晓芳

（晋中市水文水资源勘测分局，山西 晋中 030600）

1 榆次区水资源供需现状

1.1 水资源供需现状

榆次区是山西省晋中市委、市政府驻地，是晋中市的发展中心。水资源的可持续利用，是榆次区新时期社会经济发展和生态环境保护的基础，榆次区1956—2016 年多年平均水资源总量为8 280 万m3。

调查统计，2016 年榆次区水利工程总供水量为14 728 万 m3，其中，地表水 4 900 万 m3，占 33.3%；地下水 8 835 万 m3，占 60.0%；中水 993 万 m3，占 6.7%。其中，第一产业（包括农业灌溉、林牧渔业）8 500 万m3，占57.7%；第二产业2 461 万m3，占16.7%；第三产业644 万 m3，占 4.4%；生活用水（包括城镇、农村）2 130万 m3，占 14.5%；生态用水 993 万 m3，占 6.7%。

1.2 水资源配置目标

榆次区水资源配置，首先运用水资源配置优化模型，计算出规划水平年（2030 年）的供需水量，再通过供需分析，对水利工程可供水量进行合理调整，然后提出水资源优化配置方案。配置方案遵循公平性、高效性、可持续性的原则，确定各主要行业供水保证率如下：工业、第三产业、生活用水（包括城镇、农村）等供水保证率达到95%；农业灌溉用水在P 为75%和P 为95%情况下不作要求，供水保证率P 仅要求达到50%。

晋中市政府核定2030 年用水总量的控制目标为1.63 亿m3，以此进行远期2030 年水资源配置，其中供需平衡差率要求在±5%以内。

2 水资源配置模型

2.1 目标函数

榆次区水资源优化配置以可持续发展理论为基础，强调社会经济、人口、资源、生态环境的协调发展，遵循水资源的供需平衡、时间和空间上的水量和水质统一控制。以经济效益、环境效益和社会效益等综合效益最佳为优化配置目标。使用这组“管理系数”的加权函数，来确定每个作业的优先权数及总量，加权函数计算公式：

（1）目标1（经济效益）：各水平年各子区不同行业供水产生的经济净效益最大。

式中：maxf（1x）——经济效益最大化目标函数；

wk——子区k 的权重系数；

i———供水水源数i=1……（Ik）；

j——某子区用户序号j=1……J（k）；

k——供水子区数k=1……k。

（2）目标2（社会效益）：各水平年各子区供水系统总缺水量最小。

式中：minf2（x）——供水系统总缺水量最小化目标函数；

（3）目标3（环境效益）：各水平年的各子区COD排放量之和最小。

式中：maxf3（x）——各水平年的各子区COD 排放量之和最小化目标函数；

2.2 约束条件

多水源供水优化配置的目的是确定最合理的各水源供水量。一方面，希望供水量尽量达到配置目标，反映在优化模型的目标函数值最大或最小；另一方面，各种水源进行供水时，受配置原则、各水源自身的供水能力和相应的供水配套设施的限制。各水源的供水量必须符合一定的条件没反映在优化模型的约束条件集合上。

（1）水源可供水量约束：

（2）需水约束：

式中：Bk——k 子区的最低需水量；

（3）用户需水能力限制：

（4）非负约束：

2.3 模型参数

（1）水资源供水次序系数、用户公平系数

按照“先生活用水，再农工业，同时兼顾生态”的原则，拟定各主要行业的供水顺序为：城镇生活用水、农村生活用水、工业、建筑业、电力工业、第三产业、农业灌溉用水、林牧渔业、生态环境用水，按顺序计算得到各主要行业的公平系数为：0.20、0.18、0.16、0.13、0.11、0.09、0.07、0.04、0.02。

（2）效益系数

榆次区2016 年工业万元产值用水量为41 m3/万元，预计2030 年工业万元产值用水量改进至25 m3/万元，则工业用水量效益系数为400 元/m3。其他行业用水（包括生活、生态用水）因难以针对效益量化，此次分析采用工业用水量效益系数一同计算。

（3）费用系数

按照榆次区基准年水费征收标准，本次计算中第二产业、城镇生活用水费用分别为6.5 元/m3、3.8 元/m3，第三产业、农业、农村生活、林牧渔畜、生态用水费用均为1.0 元/m3。

（4）目标权重

本次计算运用二元对比法确定目标权重系数，得到经济效益目标0.5，社会效益目标0.3，环境效益目标0.2。

3 供水水源配置

3.1 供需平衡分析

从地表水工程供水量、地下水工程供水量、中水可利用量三方面进行可供水量分析预测可得，到2030 年，榆次区水利工程年可供水量：P=50%情况下为 19 320 万 m3，其中非农业 11 940 万 m3，农业7 380 万 m3；P=75%情况下为 17 680 万 m3，其中非农业 11 940 万 m3，农业 5 740 万 m3；P=95%情况下为17 230 万 m3，其中非农业 11 940 万 m3，农业 5 290 万 m3。

根据主要行业用水指标与发展趋势进行需水量预测，到 2030 年，国民经济和社会发展需水量：P=50%情况下为16 250 万m3/年，其中非农业10 742 万 m3/年，农业 5 509 万 m3/年；P=75%情况下为 17 860 万m3/年，其中非农业10 742 万m3/年，农业7 118 万 m3/年；P=95%情况下为 17 860 万 m3/年，其中非农业 10 742 万 m3/年，农业 7 118 万 m3/年。

计算可得50%保证率情况下，可供水量满足需水量要求，余水3 070 万m3/年。75%和95%保证率情况下，可供水量与需水量基本持平，其中非农业供水量满足需水量要求，农业供水不能满足需水量要求，缺水量为 1 378～1 828 万 m3。

上述可知，预测需水量在榆次区用水总量控制目标（1.63 亿m3）内，已符合要求。预测可供水量大于用水总量控制目标，依据供需平衡原则须对水利工程可供水量进行优化配置。

3.2 水利工程可供水量配置

前述需水量预测经合理性分析，节水的空间非常有限。从减少供水成本和供水工程投资等方面考虑，主要对水利工程供水进行调整，确定供水水源配置。

2020—2030 年，榆次主要供水工程及供水水源组成如下：

地表水：小型地表水引提水；松塔水电站引水工程；引黄工程供水；潇河大坝水利枢纽工程。

地下水：蔺郊集中供水工程；西窑水源地（重建大沟水源地）；北山水源地：六台和东郝水源地；当地地下水工程（分散开采井水源工程）。

中水：正阳污水净化有限公司（一厂、二厂）；规划污水处理厂（高校园区、修文处理厂）。

根据前述各主要行业供水保证率目标对供需水方案进行合理的调整。

调整引黄工程供水量，年供水量由3 650 万m3调整为2 500 万m3；因存在地下水超采的情况，农业供水调整地下水可开采量，年开采量控制由5 600 万m3调整为4 530 万m3；为保护地表水生态环境，调整小型水利工程年供水量，由1 500 万m3调整为1 000 万m3。

调整后规划水利工程供水量：P=50%情况下为16 250 万 m3/年，其中非农业 9 600 万 m3/年，农业6 650 万 m3/年；P=75%情况下为 15 460 万 m3/年，其中非农业 9 600 万 m3/年，农业 5 860 万 m3/年；P=95%情况下为15 010 万m3/年，其中非农业9 600 万m3/年，农业 5 410 万 m3/年。

与前文规划需水量对比可知，非农业、农业供水分别满足95%、50%的供水保证率，均符合各自的供水保证率要求。

到2030年，水利工程配置年供水总量为16 250万m3，与2016 年比较增加了1 522 万m3，增加幅度约10.3%。各水源供水量对比情况见表1。

总体上，地表水工程供水量相对稳定在总供水量的37%～38%，地下水开采量所占比重相对减少，中水利用量所占比重相对增加，外引水源（客水）所占比重增加。

到2030 年，配置外引水源和中水利用量占到总供水量的44%，充分利用外引水和中水对于有效解决或缓解榆次水资源紧缺问题将会起到非常重要的作用。因此，在今后的经济发展中，应重视外引水源和污水处理工程项目的建设。

表1 2016 年、2030 年供水量对比情况表 单位：万m3

4 主要行业用水量配置

从供需平衡分析中已知，规划到2030 年P=50%情况下，总需水量为16 250 万 m3，较2016 年增加1 522 万m3。主要行业用水量中，第一产业、第二产业、第三产业、生态、城乡生活分别为5 730 万m3、3 245 万 m3、1 110 万 m3、1 140 万 m3、5 025 万 m3，占总配置水量的比例分别为35.3%、20.0%、6.8%、7.0%和4.2%。

到2030 年，通过农业灌溉节水技术的提高，农业用水量减少，地下水开采量减少。压缩地下水开采这部分水量主要用于修复地下水超采和地表水功能区生态环境；第一产业、第二产业、第三产业、生态、城乡生活用水量不同程度提高，增加的用水量主要通过引黄工程供水和中水利用解决。